（冶金工程专业论文）重钢五流方坯连铸中间包控流装置及冶金效果的研究.pdf

一文摘要 摘要 为了进一步提高连铸效率和满足用户对高质量产品的需求，近年来冶金工作 者采取了一系列措施来强化和扩大中间包的冶金功能，其重要措施之一就是在巾 间包内设置适当形式的控流装置，使之形成合理的流场，一方面促进夹杂物充分 上浮，同时也为钢液温度和成分的均匀化创造有利条件。 论文结合重钢炼钢厂五流方坯连铸中间包的实际情况，采用水力学物理模拟 和数值计算相结合的研究方法，确定中间包内控流装置设置最佳方案。根据相似 理论，在选择弗鲁德准数相似和实验模型与原型的几何相似比为1 ：3 条件下，建 立实验模型和进行水力学模拟实验；同时根据连续性方程和动量方程建立描述中 间包内流体流动的数学模型，采用p h o e n i c s 商业软件进行数值计算。 通过水模实验和数值模拟，发现挡墙设置对五流中间包内钢液流动模式具有 重要影响。设置合理的挡墙结构，形成合理的钢液流动形态，将充分发挥中间包 的冶金效果。在所实验的多种挡墙结构形式中，以1 0 。挡墙形式能较好地达到排除 夹杂物和保证各流温度均匀的效果。考虑成本因素，对于质量要求不太高的普碳 钢浇注，在中间流水口前设置平行挡墙能起到均匀各流温度、消除底部击穿流的 效果，有利于保证多流浇注工艺顺行。 从现场应用验证结果来看，两种控流装置的应用使中间包内温度分布是均匀 的，满足连铸浇铸顺行的要求。验证了挡墙的结构是合理的，实现了钢流在中间 包内以较优的流动形态流向各流水口。1 0 # 挡墙形式便钢水通过挡墙后钢中夹杂含 量明显降低，验证了控流装置的选型和结构设计是合理的；达到了延长钢液在中 间包内的停留时间，使非金属夹杂物能够充分上浮，提高钢液的清洁度和铸坯质 量之目的。 生产应用一年来，各项技术经济指标达到或超过了改造前的指标，且已成功 开发多个优质品种钢。 关键词：连铸中间包，控流装置，数理模拟，钢水温度，洁净度 英叟摘要 a b s t r a c t i no r d e rt o i m p r o v e t h ec o n t i n u o u s c a s t i n g ( c c ) e f f i c i e n c y a n dm e e tt h e r e q u i r e m e n to fh i 曲q u a l i m t i v ep r o d u c t s ，i nr e c e n ty e a r s ，t h em e t a l l u r g i s th a v et a k e na s e r i o u sa c t i o no n s t r e n g t h e n i n ga n de n l a r g i n gt h et u n d i s hm e t a l l u r g i c a lf u n c t i o n o n eo f t h ei m p o r t a n tm e a s u r e sw a st h a tt h ea p p r o p r i a t ef l o wc o n t r o ld e v i c e sw e r ei n s t a l l e dt o f o r mt h er e a s o n a b l ef l o wp a t t e m ，w h i c hn o to n l ym a d et h ei n c l u s i o n sw e l lf l o a t e db u t a l s oc r e a t e dt h ea d v a n t a g e o u sc o n d i t i o nt ou n i f o r mt h e l i q u i d s t e e l t e m p e r a t u r ea n d c o m p o s i t i o n i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ef a c to fa5 - s 订a n db i l l e tc ct u n d i s ha tc h o n g q i n g i r o na n ds t e e lc o m p a n y , t h em a t h e m a t i c a la n d p h y s i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d w e r eu s e dt o m a k ec e r t a i nt h eb e s tf l o wc o n t r o id e v i c e t h e e x p e r i m e n tm o d e l ，w h i c h w a s1 3o f t h e p r o t o t y p ea n d w a sm a d e o f p l e x i g l a s ，w a sb u i l ta n d t h ee x p e r i m e n t sw e r ed o n eb a s e do n t h ef r o u d es i m i l a r i t yb ys i m i l a r i t yp r i n c i p l e t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，d e s c r i b i n gt h e f l o wp h e n o m e n ai nt h et u n d i s h ，w a se s t a b l i s h e da c c o r d i n ga st h ec o n t i n u i t ye q u a t i o n a n dm o m e n t u me q u a t i o n , m e a n w h i l et h ep h o e n i c sc o m m e r c i a ls o f t w a r ew a su s e dt o c a l c u l a t e i tw a sf o u n dt h a tt h ec o n t r o lf l o wd e v i c e sh a da n i m p o r t a n te f f e c t o nt h el l o w p a t t e r ni na5 - s t r a n dt u n d i s hb ym a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a ls i m u l a t i o n t h er e a s o n a b l e f l o wp a t t e r nw a sc o m ei n t ob e i n ga n dt h em e t a l l u r g i c a le f f e c tw a sf o l l ye x e r t e d b y s e t t i n gt h er i g h tc o n t r o lf l o wd e v i c e i nt h ea l lo f t h ef l o wc o n t r o ld e v i c e s ，t h en u m b e r 10i st h eb e s to n e ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o li n c l u s i o n sm o t i o na n dr e m o v et h e mt o t o ps u r f a c e ，a n du n i f o r n at h et e m p e r a t u r ed i s 拄i b u t i o nf o re a c hs t r a n d w h e nt h ec o s t c o n s i d e r e d , i tw a sn e c e s s a r yt h a tt h ep a r a l l e lf l o wc o n t r o ld e v i c ew a ss e ti nf r o n to ft h e m i d d l eo u t l e tt ou n i f o r mt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf o re a c hs t r a n da n dt oe l i m i n a t e s h o r tf l o wa n dr e c i r c u l a t i o nf l o w , w h i c he n s u r e dt h eg o o dc c o p e r a t i o n i tw a ss e e nt h a tt h ea p p l i c a t i o no f t h e a b o v em e n t i o n e df l o wc o n t r o ld e v i c e sm a d e t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n i f o r m e da n dr e a l i z e dt h eg o o dc co p e r a t i o nf r o mt h e i n d u s t r i a le x p e r i m e n tr e s u l t s t h el i q u i ds t e e lw a sd i s t r i b u t e dt ot h ee a c ho u t l e tw i t ht h e e x c e l l e n tf l o wp a t t e mi nt h et u n d i s h ，w h i c ht e s t e dt h er a t i o n a l i t yo ft h ef l o wc o n t r o l d e v i c e s t h ei n c l u s i o n sw e r eo b v i o u s l yd e c r e a s e d ，w h e nl i q u i ds t e e lp a s s i n gt h ef l o w c o n t r o ld e v i c e s ，t h el i q u i ds t e e lr e s i d e n c et i m ew a sp r o l o n g e da n dt h ei n c l u s i o n sw e r e w e l lf l o a t e dt h r o u 【曲u s i n gt h en u m b e r10 a l lo ft h e s ev a l i d a t e dt h er a t i o n a l i t yo ft h e s h a p ea n dt h ed e s i g no f t h ef l o wc o n t r o ld e v i c e s ，e n h a n c e dt h el i q u i ds t e e lc l e a l m e s s d e g r e ea n di m p r o v e d t h eq u n i t y 重庆大学 ：程坝j ：学位论文 e a c hk i n do fi n d e xw a sr e a c h e do re x c e e d e dt h ef o r m e ro n e s ，d u r i n g t h e a p p l i c a t i o no f t h i sy e a r ，a n dm u c hh i g hq u m i t y s t e e lh a db e e nd e v e l o p e d k e y w o r d s ：c ct u n d i s h ，f l o w c o n t r o ld e v i c e ，m a t h e m a t i c a la n d p h y s i c a ls i m u l a t i o n ， l i q u i ds t e e lt e m p e r a t u r e ，c l e a n n e s s 绪论 1绪论 1 1 连续铸钢在国内外的发展状况 在钢铁生产历史上，采用连续铸钢技术之前，通常采用模铸技术。在此过程 中，钢坯要经过几次加热、加工，而且每次加工都要切头去尾，损失一定量的金 属。经过几十年的探索，本世纪7 0 年代，逐步形成了现代连续铸钢技术。连铸 技术之所以发展迅速，主要体现在它比传统的模铸具有更大的优越性：连铸可以 节省能源7 0 一8 0 ；提高成材率1 0 1 4 ：节省劳动力7 5 ：节省占地面积 3 0 ；并筒化工序、改善劳动条件、易于实现自动化；而且可以提高质量，扩大 品种，尤其是可以促进管理、技术以至整个企业素质的提高，从而带来巨大经济 效益，增强在市场上的竞争力。 1 1 1 国外连铸技术的发展 常规连铸机概念的最早提出者当追溯到美国炼钢工作者亚瑟( b a t h a ) ( 18 8 6 年) 和德国土木工程师达勒恩( r m d a e l e n ) ( 1 8 8 7 年) 。随后的几十年中，人们对连铸 技术发生了浓厚的兴趣，尤其在1 9 2 0 1 9 3 5 年间，这一时期连铸技术主要用丁 有色金属铜和铝的浇铸。1 9 3 3 年，现代连铸的奠基人容汉斯( s j u n g h a n s ) 提出并发展了结晶器振动装置之后，才奠定了连铸技术在钢铁工业上应用的基 础。从此，连续铸钢技术经历了“从本世纪4 0 年代的试验开发、5 0 年代丌始步 入工业生产、6 0 年代弧形铸机的出现、7 0 年代由能源危机推动的大发展、到8 0 年代日趋成熟的技术和9 0 年代新的变革”的近6 0 年历史发展历程。 二次世界大战后，苏、美、英、奥等国相继建成一批半工业性的试验设备， 进行连续铸钢的研究。1 9 5 0 年容汉斯和曼内斯曼( m a m a e s m m m ) 公司合作，建成 了世界上第一台能浇注5 吨钢水的连铸机。从第一台连铸机问世，迄今已有五十 余年的历史了。从5 0 年代起，连铸开始用于钢铁工业。6 0 年代以后，连铸进入 稳定发展时期。在机型方面，6 0 年代初出现了立弯式连铸机，并研制成功了保 护渣浇注、浸入式水口和钢流保护等新技术，连铸技术发展速度显著加快了。1 9 6 0 年全世界连铸钢产量为1 1 5 万吨，连铸比仅为o 3 4 。至6 0 年代末，连铸机已 达2 0 0 余台，年生产铸机能力达4 0 0 0 万吨以上。在此时期，出现了旋转式连铸 机、空心圆坯铸机和工字型断面铸机。1 9 6 4 年4 月在奥地利百录公司世界上第 一台三班轮换正式生产的工业化弧形连铸机投产，同年6 月，中国重庆钢铁公 司第三炼钢厂的生产型弧形铸机投产。为了生产铝镇静钢，在德国底林根厂的宽 板坯弧形铸机上成功地开发了浸入式水口和保护渣浇铸技术。7 0 年代以来，连 重庆大学工程硕士学位论文 铸生产技术围绕着降低连铸坯能耗、提高连铸生产率、改善连铸坯质量这几个中 心课题，得到了迅猛的发展。到7 0 年代末，全世界连铸产量己逾2 亿吨，相当 于1 9 7 0 年的8 倍。到了8 0 年代后，连铸进入了完全成熟的全盛时期，世界连铸 比由1 9 8 1 年的3 3 8 上升到2 0 0 2 年的8 8 4 。 近十几年，近终形连铸( 尤其是薄板坯、薄带连铸) 、高速浇铸、高清洁性产 品的连铸、低过热度浇铸、半凝固加工技术和过程与质量系统控制技术等势必要 向更高技术水平领域冲击，迎接一场新的革命。在世界范围内出现了以高效连铸 技术为核心的新的连铸机技术1 1 1 【2 】。 1 1 2 我国连铸发展概况 中国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一。由北京钢铁学院徐宝陛 教授主持设计的重钢三厂大弧型板坯连铸机和重钢二厂厚板坯弧型连铸机先后于 1 9 6 4 年和1 9 6 7 年正式投产，应该说重钢是我国开展连铸较早的厂家。这两台弧 型连铸机在当时世界上都是处于领先水平的。 我国的连铸在6 0 年代后期到7 0 年代初期发展缓慢，到1 9 7 9 年仅有连铸机 2 5 台，生产连铸坯j5 0 4 万吨，连铸比4 ，4 。改革开放后，国家对发展连铸技 术给予高度重视，发展连铸生产和建设成为我国钢铁技术发展中的重要政策。1 9 8 8 年1 2 月在全国连铸工作会议上，冶金部提出“以连铸为中心，炼钢为基础，设 备为保证”的生产方针，加快了连铸生产和建设的发展。1 9 9 4 年，冶金部又提 出“以连铸为中心，以全连铸为方向，炼钢一一炉外处理一一连铸三位一体优化 结构”，以发展连铸为企业优化结构的突破口。同时强调提出连铸高效化( 高作 业率、高拉速、高连浇炉数、高质量、高自控水平等) 。目前年连铸坯产量达1 8 1 9 亿吨，连铸比达9 4 9 5 左右。全国重点企业中许多钢厂均达到全连铸目标， 其中也有许多钢铁公司实现了全公司全连铸生产( 如武钢、重钢、邯钢等) ，至 此，我国连铸技术有了较大的发展。 我国连铸生产虽然较之以前取得了很大发展，但也存在许多问题，特别是 与工业大国比较还存在很大差距。主要表现在连铸机作业率低，连铸品种少，生 产的连铸坯质量差，在加入w t o 后，更对我国的连铸工作提出了严峻挑战。“十 五”冶金科技发展指南明确提出，今后连铸工作重点是发展高效连铸技术，提高 铸坯质量l ”。 1 2 中间包作用及功能 连铸技术的发展对钢液中夹杂物去除有很大程度的提高，在工艺流程中主要 体现在中间包和结晶器两个环节，尤其是中间包为钢液中夹杂的上浮提供了场所 2 绪论 和机会，又为冶金技术的发展开辟了新途径。 1 2 1 中间包的作用 中间包是钢包与结晶器之间的中间容器。使用中间包的目的是减少钏水 的静压力，使钢流平稳，减少钢流对结晶器内钢液的冲击和搅动； 合理储存钢水、按工艺要求进行有效分流，保证顺利开浇、停浇和换包， 实现对连铸机均衡、连续和稳定地供给钢水； 改善钢水流动条件，防止短路流动，减少死区，改善流动方向，增加钢 水在中间包内的停留时间，改善夹杂物的上浮和去除条件； 防止钢水二次污染，减轻耐火材料侵蚀、减少渣的卷入以及渣中不稳定 氧化物的危害； 选择合适的中间包包衬耐火材料和液面覆盖剂，减轻热损失，有利r 夹 杂物的排除； 控制好钢水温度，必要时再加热，使钢水过热度保持稳定。 传统的中间包只起到储存、分配钢水和稳定注流的作用。随着对钢清洁度要 求的提高，人们把中间包作为钢包与结晶器之间的一个精炼反应器，以进一步改 善钢的质量【“。 1 2 2 中间包的冶金功能 中间包作为精炼反应器时，可以完成一些附加的冶金功能： 消除钢水中夹杂物的污染，如杜绝钢水的二次氧化、耐火材料的侵蚀和 钢包下渣等； 促进钢水中夹杂物的上浮分离，如改善钢水流动形态、延长钢水在中问 包内停留时间等； 防止中间包表面覆盖渣卷入钢水，要防止中间包内钢水旋涡和表面波的 生成； 采用附加的冶金工艺，完成中间包精炼功能，如夹杂物形态控制、钢水 成分微调、钢水温度的精确控制等； 实现了上述要求，就进一步净化了进入结晶器的钢水清洁度。为此就提出了 把中间包当作一个连续精炼冶金反应器的构想。如同钢包精炼技术一样，中f b j 包 已成为炼钢生产流程中一个独立的冶金反应器。 1 3 多流中间包内钢液流动行为模拟方法 在生产现场，要做到有效地发挥中问包的作用，保证连铸生产的顺利进行 重庆大学工程硕士学位论文 必须针对具体条件合理地选择中间包的结构形状，设置最佳的控流装置，并按要 求进行操作( 如工作液面、换包液面以及起艇高度等) 。近2 0 年来，中l 、h j 包冶金 作为连铸技术开发的重要内容之，得到了广泛和深入的研究，取得了大量的研 究成果和应用效果。中间包冶金的主要研究方法：实验室研究( 物理模拟、数值 模拟) 和现场试验，后者研究方法主要是对前者的验证。 物理模拟主要是水力学模拟，开始于2 0 世纪7 0 年代。随着计算机及软件的 发展，8 0 年代初产生了用计算机来对冶金容器内的流体流动进行模拟的数值模 拟。至今国内外己应用这两种方法对中间包内流体流动进行了相当多的研究 + 作，并应用于生产中取得了明显的效果”i 。 1 3 1 多流中间包内钢液流动行为物理模拟 相似理论 大量的文献资料报道，目前对于多流中间包，研究的重点是在于如何有利包 内夹杂物的排除和各流之间温度分布均匀上。在研究方法上，种是忽略中间包 温度差的影响，认为是等温过程；另一种是考虑中间包内温度差对流体流动的的 影响，认为是非等温过程。 为了保证模型与原型相似，必须满足如下相似条件：几何相似、运动相似、 动力相似和热相似，即： 1 1 几何相似 五：兰生 ( 1 1 ) 三p 2 ) 运动、动力及热相似 厅：生 ( 1 2 ) 驰 死：坐 ( 1 3 ) “= ：一 。， u 根据上述相似准数可确定实验基本参数，如： 速度： u 。= 九“u 。 ( 1 i4 ) 长度：l = h l 。 ( 1 5 ) 流体温度差：_ = 鲁。 ( 1 6 ) 绪论 夹杂物尺寸： r r m 。= 舻2 5 中间包反应器工作特征 连铸中间包是一种典型的连续式全混流冶金反应器。但由于钢水流入、流出 条件和结构的复杂性，中间包内存在的流动模式往往又是一种非理想的连续流。 中间包内流动模式和停留时间是反映中间包冶金效果的两个重要指标，一般 用来描述中间包的工作特性。中间包内流动模式一般由四部分组成：活塞流、全 混流、滞留区( 死区) 和击穿流，消除击穿流和死区所占比例越小，越有利丁 中 间包冶金功能的发挥；中间包内钢液平均停留时间长，有利于夹杂物的上浮。 当流体连续、稳定的流过个容器时，可用： t ；= v q 。= 中间包内流体体积，体积流量 ( 1 8 ) 表示流体的表观平均停留时间( 理论停留时间) 。由于流体在容器中运动轨 迹不完全相同，因此其停留时间不同，容器内流团是由于具有已经停留在容器中 而“年龄”不同的流团组成。流团在容器内停留时间分布( 简称r t d 曲线) 是连 续流动系统的一个重要参数，可通过刺激一响应实验原理获得。 流体在容器内的流动模式：若同一时刻进入容器的流团均在同一时刻离丌容 器，它们不会和先或后于它们进入容器的流团相混合，其平均停留时间就相当于 t ，这种流动模式称为活塞流。而当流团一进入容器立即与其它流团完全混合， 分不出那个流团是先来和后来的，这种流动模式称为混返流，上述为两种理想的 流动模式。除此之外还有旁路击穿流及死区等。旁路击穿流是指进入容器的那部 分流团立即通过容器，其无因次停留时间几乎为零。而死区是指容器内那部分流 团，其停留时间大大超过流体表观平均停留时间。在水力学模拟实验过程中，人 们普遍将流体流团在容器内的停留时闯大于表观平均停留时间两倍的那一部分流 团所占的容器体积称为死区。如果容器内存在死区，就意味着容器有效容积的减 小。 实际中间包中钢液的流动模式是上述几种流动模式的联合。从实验中得到的 停留时间分布函数r t d 可以通过计算得到。假定把流体出口时间分布函数定义为 e ，e d o 表示在容器出口处的那部分流体流团，其在容器中停留时间在0 十d e 之 间，所占出口处总的流出流体流团的百分数。所以有： 严ed o = 1( j 9 ) 式中0 为因次时间，定义为：0 = t t 。 、，ll，一、， 岛一几一几一风 一 一 一 ，lll、一，ll、 重庆大学工程硕士学位论文 当用6 函数刺激信号时，在容器出口处测量到的停留时间分布响应曲线称之 为c 曲线。当实验控制q m o = 1 时( 其中毽表示实验流量，m 。为试踪荆加入量) ， c 曲线才等于e 曲线。 多流连铸中间包内控流元件参数的优化没计方法的提出一们 文献3 做了关于t 型连铸机中间包内控流装置优化的水模研究，发现原设 计的中间包在夹杂物的上浮及温度的均匀性方面还存在不足，不能很好地满足生 产工艺要求。通过优化设计，提出了促进夹杂物上浮和均匀中间包内钢水温度的 实际方案。尤其是提出了多流连铸机中间包流动特性的评定方法，为类似的水力 学模型提供了参考。事实已经证明中间包的水模型实验是寻找合理、有效控流元 件的最直观、最方便的方法。前人的工作大多对单流水口中间包进行了水模研究， 或对左右对称的双流水口中间包只根据其中的一个水口来对此中间包进行研究和 评价。这是完全可以的。对多流对称或非对称中间包的研究，目前还没有形成大 家都可以接受的评价方法和理论模型。有的研究者根据各流的流动特点( 利用颜 色或测定的时间) 进行半定量分析，有的研究者将多出水口简化成单出水口来近 似模拟，或分别考察每一流的特性而没有将各流的流动特性归结成中间包内的整 体流动特性，而对中间包的设计作出评价。 为了使多流中间包不仅能较好地排除钢水中的夹杂物，而且还能使各流之间 的温度差尽可能减少，操作更加顺行，钢质进一步提高，实验对六流t 型连铸中 间包进行控流元件参数的优化研究。由所测的的停留时间分布( r t d ) 曲线来定 量地描述中间包内总体的流动特性，最终评价中间包控流参数的优劣。 r t d 曲线的分析：由于流体在中间包内的流动并非理想流动，因此按照混合 模型分析，中间包内的流体流动可分为3 部分，即活塞流、全混流和滞留区( 死 区) 。 这3 个区的大小可以由实验所测得的r t d 曲线计算而得。活塞区体积分数为： 矿。= ! 竺：! ! 堕，滞留区体积分数为：圪= 1 一吼，全混流体积分数为： 2 ，= l 一一k ，式中，无因次时间口。：等，日刚：拿，日，：；理论 f l j i j 停留时间f ，= ；平均停留时间，：竺丝竺；f 。为从示踪剂的加入到中间包 掣 。 乒( t ) d t 出口处示踪剂开始响应的时间：t 。女为从示踪剂的加入到中间包出i z i 处示踪剂浓 度达到最大的时间：q ，为水的体积流率；为实验时中间包内水的体积。 离散程度考察：对于多流连铸中间包，理想的情况是从各出水口流出的钢水 6 结论 在中间包内具有相同的流动特征，即应有相同的响应利间、相同的停留时间和相 同的钢水湿度等，从而保证生产的顺行和铸坯质量的提高。但这样的情况在中刚 包设计的过程中是很难得到的，只能使它们尽可能的接近，避免过度分散。用标 f 彳f 准差来考察它们的分散程度：q ：、j l ! x 1式中，s 表示标准差；x ，为第 川7lj il yn 一1 1 个样本值；x 为样本的算术平均值；n 为样本个数。s 值越大，说明所考察参 数的离散程度也越大，越不一致。所以，对于六流中间包来说，所考察参数的s 值越小，说明六流的流动特性越接近。 优化设计方法及实验方案：为了设计出理想的中间包，使其各流的流动特征 趋于一致，夹杂物易于上浮和排除，钢水在中间包内的滞流减小，新老钢水的混 合加快，各流钢水温度均匀，提出多流连铸中间包内控流元件参数的优化设计原 则： 1 ) 适当延长近流( 中心流) 的响应时间； 2 ) 适当缩短远流( 边流) 的响应时间； 3 ) 降低各出水口响应时间t 。的标准差s 。； 4 ) 降低各出水口浓度峰值时间f ，。的标准差s ，。； j ) 每个水口应有合适的平均停留时间f 。且它们的平均值，一应较大： 6 ) 降低各出水口的平均停留时间t 的标准差s ，； 7 ) 增加相对于各出水口的中间包内平均活塞流区体积矿。； 8 ) 增加平均活塞流区体积y 0 与平均滞留区体积屹，之比r 。 1 3 2 多流中间包内钢液流动行为数值模拟 随着电子技术的发展，计算机的广泛应用，到近几十年，人们不再满足于单 一的物理模拟，用计算机对物理过程进行数值模拟是近年来发展起来的新兴研究 手段，在连铸过程模拟中也得到了广泛的应用5 】- 【”l 。 数值模拟根据计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，简写为c f d ) ， 利用连续性方程、动量方程和能量方程等微分方程，进行一定的假设，给出足够 的初始条件和边界条件，应用计算机和特定的软件，对微分方程进行时间和空叫 离散，并作一定数量的迭代计算来逼近个近似解。 重庆大学工程硕士学位论文 湍流模型概述 连铸中间包内钢液流动符合湍流的主要特征即随机性、有旋性、三维性、扩 散性和耗散性，因而属于湍流流动。因此，模拟中间包内钢液流动其实是模拟和 求解湍流模型，也即模拟湍流输运通量( 一p u 。“，或- p u ，) ：湍流输运通量产生于 对非线性的对流项的分解和平均，它体现了湍流涡团平均量的输运作用，是扩散 项的主要部分。其中研究较多的是雷诺应力( 一例，“，) 的模拟，而对于( 删，妒) 主要用类比法模拟。模拟雷诺应力的方法应用最广泛的是湍流粘性系数模型。 b o u s s i n e s q 在1 8 7 7 年针对二维边界层问题提出了雷诺应力，他将雷诺应力 与时均速度梯度联系起来，用类似牛顿定律的形式表示出来，即局部湍流应力与 时均速度梯度成正比： os p 了了= ，娑 ( 1 1 0 ) 掣 一，叫再钢( 等+ 善) ( 1 1 1 ) 式中r ，雷诺应力； “一主流方向时均流速度： “一湍流粘度系数；y 与主流方向垂直的空间坐标。 湍流模型就是把“与湍流时均参数联系起来的关系式，而确定湍流粘度系 数，便是模型的关键。根据决定“所需要求解的微分方程数目，可以把湍流粘 度系数模型分为：零方程模型、单方程模型及双方程模型等。 1 ) 零方程模型 零方程模型是用代数关系式把湍流粘度系数与时均值联系起来的模型，普朗 特( p r a n d t l ) 在1 9 2 5 年研究湍流边界层问题时提出的混合长度理论就属于零方程 模型，表示为： 鸬= 。2 l 剁0 u ( 1 1 2 ) i 哕i 式中 m 一主流的时均速度； y 一与主流方向相垂直的坐标； f 。一混合长度，通过实验确定。 零方程模型对于比较简单的流动，如二维边界层流动，平直通道内流动比较 适用。 2 ) 单方程模型 在零方程模型的基础上，柯尔莫格洛夫和普朗特提出了单方程模型，即： a ，= c ：力“2 f ( 1 1 3 ) 式中 f 一湍流长度尺度； 缓论 c 经验常数； 一湍动能平均值，表达式为： 七= 去( “+ u “+ w “) = 去“：2 ( 】1 4 ) 从n a v i e r - s t o k e s 方程： 掣+ 掣一寿+ 丢i c + 警，1 + f ，j ， a 蕊缸，苏，l 一良，蕊，7l 7 、。 出发经推导和模化建立的微分方程，求解该方程得到k ，给出，的代数表达式， 然后由k 和求出，。 单方程模型考虑了对流和扩散作用对女分布的影响，以k 和，表示的湍流粘 度系数消除了零方程模型的弱点，但在结晶器和中间包内复杂的钢液流动中给出 z 的表达式相当困难。 3 ) 双方程模型 双方程模型实际上是把影响湍流粘度系数的两个特征量k 和，分别建立起输 运微分方程，即后方程和不以，直接为变量的z ( z = k ，”) 方程，而对于i n 和n 的 不同选择，产生了不同的双方程模型。如一f ( z = 1 “z 。1 ) ，女一s ( z = k 3 1 2 f 。) ， k w ( z = 肼。) ，k k l ，女一f 等，目前应用较多的是由琼斯和劳德【5 4 1 提出的 k s 双方程模型，对结晶器内钢液流动的描述，目前一般都采用双方程模型。 k 一模型的控制方程为： 湍动能( ) 方程： 掣+ 笔丛：一( + 丝) 婺 娑( 挈+ 挈) 一胆 ( 11 6 ) 。l 。x l呶lo k 积i。x ? 酿?出? 湍动能耗散率f 占) 方程： 掣+ 一o ( p u j e ) ：一0 【( + 笠) 当 o t o x ，咖，盯，出 + c j 妻似瓦o u s 、瓦a u s + 等) c 2 譬 ( 1 】7 ) 湍流粘度系数： “= 心。 ( 1 1 8 ) 式( 1 1 6 ) ( 1 1 8 ) 中，c 1 ，c 2 ，o - ，o - ；，c 。为经验常数。 数值模拟的求解方法 在数值模拟的发展过程中，对模型的求解方法也在不断的发展，从流函数一 涡流发到速度一压力梯度法，科研工作者一直在寻找更好的求解方法。 重庆大学 二程硕士学何论文 速度一压力梯度法是对连续性方程和动量方程进行直接求解获的速度场的方 法，其算法之一为s i v a 法( s i m u l t a n e o u sv a r i a b l ea d j u s t m e n t ) ，s i v a 法是一种很 容易收敛的方法，但运算较慢，目前使用的是s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o r p r e s s u r e - l i n k e de q u a t i o n s ) 算法，即压力场间接通过连续性方程决定，效果较好， 只需给出足够的松弛因子，就可以获得收敛，s i m p l e 法即求解压力藕合方程的 半隐式法，是求解流场方法中常用的一种，该法是p a t a n k a r 和s p a l d i n g 提出的。 其计算布骤为： 1 ) 首先估计一个试探压力场p + ，一般估计p 4 = o ： 2 ) 用该压力p + 求解离散化的n s 方程，得到静态速度场u 、v 、w ； 3 ) 用上述速度，代入连续性方程导出压力校正方程，求解校t f 压力p ； 4 ) 求速度校正值u 、v 、w ，得到校正速度u = u + + u 、，= v + + v 1 、w = w + w ： 5 ) 校正压力分布p = p + a p ，其中a 为松弛因子： 6 ) 重复上述过程，直到收敛。 数值模拟软件的发展 数值模拟可利用计算机快速、准确地对连铸中间包内钢液流动进行解析，分 析中间包挡墙结构和工艺参数对连铸过程的影响，从而成为对物理模拟进行验证 的重要手段。 从6 0 年代起，英国就开始利用计算流体力学( c f d ) 女n 识对冶金过程进行仿真 的软件开发，为当代计算机c f d 软件的发展奠定了重要基础。一些软件己开始 应用于航空、海洋、交通、环保、气象、化工冶金、生物工程等几乎所有工程领 域。 目前，c f d 软件主要可以分成三类。第一类是针对具体问题的专用程序( 如 t p s 2 d 和t p s 3 d 等) ，其优点是程序比较精炼，编制者可采取一些具体的措施， 使程序简化或增加其针对性。缺点在于专业性强，往往由开发者针对特定问题进 行编制，通用性差，使用有所限制。第二类是针对某一类型问题编制的程序，例 如，研究二维抛物线问题的g e n m i x ，研究二维椭圆型问题的2 e f i x 程序等。 它克服了专用程序的一些缺点，通用性有所改善，使用也比较方便，但使用时须 结合具体问题，汇编成仿真程序。第三类是计算流体力学的软件包( 即c f d 通用 程序) ，它各有相当完善的前处理和后处理系统，可用于分析涉及流体力学的各 类问题，包括一维、二维、三维、定常、非定常、均相、多相、湍流、层流、牛 顿流体、非牛顿流体、福射和化学反应等，同时可以处理各种不同的、简单或复 杂的几何形体。p h o e n i c s 就属于此类，这也是目前应用最广泛的c f d 软件。 采用这类功能强大的商业软件时，使用者需结合计算课题，正确处理源项和边界 条件，必要时对软件求解器模型作出修改或补充。 1 0 绪论 p h o e n l c s 软件由c h a m 公司于1 9 8 1 年推出，是世界上第一套商业c f d 软件。p h o e n i c s 是p a r a b o l i ch y p e r b o l i co re l l i p t i cn u m e r i c a li n t e g r a t i o nc o d e s e r i e s 的缩写，意思是抛物线、双曲线和椭圆性微分方程数值求解程序系列，在 c f d 软件行业中p h o e n i c s 知名度较高。 我国冶金界从8 0 年代初就开展了数学模拟方面的工作，经过十几年努力， 在研究冶金过程的基本现象上取得了一定的进展。但我国由于多种因素的影响， 在数值仿真研究方面总体上与国外有较大的差距，一是整体水平不高，基础薄弱， 二是研究和应用范围较窄，尚未形成良性发展环境，更未形成足够的应用市场。 目前，冶金过程的数学模拟研究，不少国外研究者己经转向依赖商业软件进 行，将工作重点转移到冶金过程本身更复杂机理的研究，更加重视源项和边界条 件的正确描述和努力提高体系仿真的程度和精度。 由于水模和数模都有各自的优点，都可以较好的模拟中间包的冶金过程，因 此将水力学物理模拟和计算机数值仿真结合起来，相辅相成，互相验证可以起到 更好的效果。 1 4 本课题来源及主要任务 重庆钢铁股份有限公司和重庆大学合作，联合开展“重钢五流方坯连铸中问 包内流场数学物理模拟研究”项目，根据合同要求，对改造后的五流铸机，在投 产之前对五流中间包内控流装置的设置进行数理模拟研究，提出合理的中间包内 控流装置设置方案和操作参数，并将研究结果在生产中进行验证。因此，本论文 工作主要体现一下六个方面： 1 ) 研究五流中间包内设置挡墙、挡坝的结构尺寸、相对位置对中间包流场 的影响： 2 ) 研究不同挡墙和挡坝组合形式下的流动模式( 平均停留时阳j ；活塞流、 混返流及死区的大小) ； 3 ) 研究五流中间包内不同流动控制装置及流体流动特性对夹杂物浮排除的 影响； 4 ) 研究中间包合理的液面操作高度( 包括中间包工作液面高度、换包液面 高度、最低液面高度) ； 5 ) 确定最佳的五流中间包内控流装置结构、几何尺寸、安装位置以及工艺 操作参数； 6 ) 研究结果在现场生产中的应用效果评价。 2 五流中间包内钢液流动行为的数理模拟研究 2 五流中间包内钢液流动行为的数理模拟研究 2 1 水力学物理模拟 随着连铸技术的不断发展和优化，对连铸坯及材的质量要求也越来越高， 而影响连铸坯及材的质量的主要因素之一就是非金属夹杂物。大量的研究表明， 连铸坯中大型夹杂物主要来源于中间包。因此，在中间包内如何采取有效措施 控制非金属夹杂物，使其不随钢流进入结晶器而最终被排除将是一个重要问题。 对于多流中间包，除了要求夹杂物排除之外，还要各流钢水温度分布尽量均匀， 以满足连铸工艺和顺行的需要。为了在中间包内创造一个良好的使夹杂物| 二浮 和钢液温度分布均匀的条件，需要钢液在中间包内有足够的停留时间、合理的 流动模式和运动轨迹，这可通过在中间包内设置适当形式的挡墙和坝来实现。 判断中间包内挡墙和坝是否设置合理，最常用的方法之一是采用水力学物理模 拟的研究方法。 根据重钢提供的五流中间包图纸及工艺参数设计模型，建立模拟实验装置， 利用水作为模拟钢水介质，进行水力学模拟实验研究。 2 1 1 实验装置 实验以重钢五流方坯连铸机为模拟研究对象，实验模型用有机玻璃制傲，其 实验装置示意图如图2 1 所示。 2 - 示踪剂加入器；3 - 挡墙；4 - 塞棒；5 流量计；6 - r t d 系统；7 - 数据采集系统 图2 1 实验装置示意图 f i g 2 1s k e t c ho f e x p e r i m e n ts e t u p 2 1 2 实验研究方法 根据相似原理，模型与实物中液体流动相似的基本条件是几何相似和动力 哂掣，俑删包间冲 重庆大学工程硕士学位论文 相似。当用水模拟钢液的流动时，若考虑流体只受到重力、惯性力的作用，忽略 粘性力与表面张力，则动力相似就可用弗鲁得准数( f r = g l v 2 ) 表示，而几何相 似可采用任何比例。 实验采用模型：实物：模型= 3 ：1 的比例，则实验流量与原型流量计算公式 为： q 实验= ( 1 3 ) 25 q 实际= 0 0 6 4 15q 原型 2 一】 模型流量、实际流量与拉坯速度的关系见表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 1 5 0 15 0 m m 2 断面 1 1 a b l e2 1s e c t i o n f o r l 5 0 1 5 0 m m 2 根据表2 1 和表2 2 所列数据，考虑到两断面的拉速情况，实验时选取模型 流量为1 0 4m v h 为工作拉速流量。 对于连铸中间包而言，最重要也是最复杂的问题是认识清楚钢液在中间包内 的流动方式，了解钢流在中间包内的动量、热量和质量传输，确保实现下列目标： n 确保中间包能够较均匀地将钢水分配给每个水口，钢液在每个水f 5 的平 均停留时间和温度基本一致； 2 1 延长钢液在中间包内平均停留时间，使非金属夹杂物能够充分上浮，提 高钢液的清洁度和铸坯质量： 3 ) 提高钢液在每个水口的温度，避免由于钢液温度过低引起的结晶器水口 冻结，保证连铸工艺的顺利进行。 这三个方面对于重钢现改建的近似t 型五流方坯连铸机尤为重要，这可通 过在中间包内设置适当形式的挡墙和坝来实现。 中间包内流动模式和停留时间的测定 中间包内流动模式和停留时间是反映中间包冶金效果的两个重要指标。中问 2 五流中间包内钢液流动行为的数理模拟研究 包内流动模式一般由四部分组成：活塞流、全混流、滞留区( 死区) 和击穿流， 消除击穿流和死区所占比例越小越有利于中间包冶金功能的发挥；中间包内钢 液平均停留时间长，有利于夹杂物的上浮。 当流体连续、稳定的流过一个容器时，可用： t 。= v q 。= 中间包内流体体积体积流量 表示流体的表观平均停留时间( 理论停留时间) 。由于流体在容器中运动轨 迹不完全相同，因此其停留时间不同，容器内流团是由于具有已经停留在容器中 而“年龄”不同的流团组成，流团在容器内停留时间分布( 简称r t d 曲线) 是连 续流动系统的一个重要参数，可通过刺激一响应实验原理获得。 流体在容器内的流动模式：若同一时刻进入容器的流团均